JP5412710B2 - 窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体 - Google Patents
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Description
CaxAlySizOaNb:Eu2+
0.5≦x≦3、0.5≦y≦3、0.5≦z≦9、0≦a≦3、0.5≦b≦3
Ca x Al y Si z O a N b :Eu 2+
0.5≦x≦3、0.5≦y≦3、0.5≦z≦9、0≦a≦3、0.5≦b≦3
本実施の形態に係る窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体は、ユーロピウムで付活され、近紫外線ないし青色光を吸収して赤色に発光する。該蛍光体は、一般式がMxAlySizOaNb:Eu2+(0.5≦x≦3、0.5≦y≦3、0.5≦z≦9、0≦a≦3、0.5≦b≦3)で示され、MはMg、Zn、Ca、Sr、Baの群から選ばれる少なくとも1つである。また、該蛍光体には、フラックスとして種々の添加元素、及び必要に応じてホウ素が含有される。さらに、平均粒径が5μm以上、10μm以下である。
本実施の形態に係る窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体は、紫外線乃至可視光の短波長側領域の光を吸収して、励起光の発光ピーク波長よりも長波長側に蛍光体の発光ピーク波長を有する。可視光の短波長側領域の光は、主に青色光領域となる。具体的には250nm〜500nmに発光ピーク波長を有する励起光源からの光により励起され、490から570nmの波長の範囲にピーク波長のもつ蛍光を発光することが好ましい。当該範囲の励起光源を用いることにより、発光効率の高い蛍光体を提供することができるからである。特に、250nm〜420nm或いは420nm〜500nmに主発光ピーク波長を有する励起光源を用いることが好ましく、更に440〜480nmに発光ピーク波長を有する励起光源を用いることが好ましい。
本発明に係る窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体は、湿式、乾式で、各種蛍光体原料を混合して製造される。蛍光体原料として、Ca、Si、Al、Eu、添加元素、必要に応じてBが単独で、あるいは各々の化合物が使用される。以下に個々の原料について説明する。
実施の形態に係る窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体にホウ素を含有させることができる。一般的に窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体は融点の高い物が多く、固相反応させた際に液相が生じがたく、反応がスムーズに進行しない場合が多い。しかし、ホウ素を含有したものでは、液相の生成温度が低下し、液相が生じやすくなるために、反応が促進され、さらには固相反応がより均一に進行するために発光特性に優れた蛍光体を得ることができると考えられる。窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体に添加するホウ素のモル濃度を0.5モル以下とし、好ましくは、0.3モル以下としてもよい。さらに、0.001以上とする。更に好ましくは、ホウ素のモル濃度は、0.001以上であって、0.2以下の範囲とする。この範囲の濃度であれば、上記の効果が得られ、また、焼結が激しくならず、解砕工程で発光特性が低下しない効果が得られるからである。ホウ素化合物は熱伝導率が高い物質であるため、原料に添加することにより、焼成中における原料の温度分布が均一となり、固相反応を促進させ、発光特性が向上するものと推定される。添加の方法としては、原料混合の際に一緒に添加し、混合することで可能である。
次に、上記の蛍光体を波長変換部材として利用した発光装置について説明する。発光装置には、例えば蛍光ランプ等の照明器具、ディスプレイやレーダー等の表示装置等が挙げられる。波長変換部材の励起光源には、半導体発光素子を使用する。ここで発光素子には、可視光を発する素子のみならず、近紫外光や遠紫外光などを発する素子も含める意味で使用する。また励起光源として、半導体発光素子以外に、既存の蛍光灯に使用される水銀灯等、紫外から可視光の短波長領域に発光ピーク波長を有する励起光源を適宜利用できる。
発光装置の実施の形態1として、励起光源に近紫外から可視光の短波長領域の光を放つ発光素子を備えた砲弾型の半導体発光装置を記載する。発光素子は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、発光素子は半導体素子であるため球切れなどの心配がない。さらに初期駆動性が優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特長を有する。そのため、発光素子と、窒化物蛍光体とを組み合わせる発光装置であることが好ましい。
発光素子は、サファイア基板上にそれぞれ窒化物半導体からなるn型層、活性層及びp型層の順に積層されてなる半導体層を有している。互いに分離されてライン上に露出されたn型半導体にはnパッド電極が形成され、一方pオーミック電極の上にはpパッド電極が形成されている。
発光装置に用いる窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体の粒径は1μm〜20μmの範囲が好ましく、より好ましくは2μm〜15μmである。1μmより小さい粒径を有する蛍光体は、凝集体を形成しやすい傾向にある。一方、2μm〜15μmの粒径範囲の蛍光体は、光の吸収率及び変換効率が高い。このように、光学的に優れた特徴を有する粒径の大きな蛍光体を含有させることにより、発光装置の量産性が向上する。
蛍光体3は発光素子2の近傍周辺にほぼ均一の割合で配置されていることが好ましい。これにより色ムラのない光が得られる。発光装置1から放出される光の輝度及び波長等は、発光装置1内に封止される蛍光体3の粒子サイズ、その塗布後の均一度、蛍光体が含有される樹脂の厚さ等に影響を受ける。具体的には、発光装置1内の部位において、発光素子2から放出される光が、発光装置1の外へ放出されるまでに励起される蛍光体の量やサイズが偏在していれば、色むらが発生してしまう。また蛍光体粉体において、発光は主に粒子表面で起こると考えられるため、一般的に平均粒径が小さければ、粉体単位重量あたりの表面積を確保でき輝度の低下を回避できる。さらに、小粒蛍光体は光を拡散反射させて発光色の色むらを防止することも可能である。しかし一方で、蛍光体の平均粒度が小さいほど、樹脂内に分散された蛍光体の凝集傾向が高くなり、樹脂内での偏在が懸念される。
次に、本発明の実施の形態2に係る発光装置として、キャップタイプの発光装置20を図3に示す。発光装置20は、実施の形態1に係る発光装置における部材と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。この発光装置20は、実施の形態1の発光装置1のモールド11の表面に蛍光体3aを分散させた光透過性樹脂からなるキャップ21を被せることにより構成される。
次に本発明の実施の形態3に係る発光装置として図4に示す。この発光装置30は、実施例1及び2に係る発光装置における部材と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。図4の発光装置30は、実施例1と同様に、リードフレーム4で成型された凹形状のカップ10内のみに、大粒蛍光体3を含む樹脂6が充填する。その後、モールド11内に、蛍光体3aを含む樹脂6を充填する。この蛍光体3aはカップ10内に配置される大粒蛍光体3よりも粒径が小さいことが望ましい。これにより小粒子蛍光体3aは樹脂6内に均一に配置されるからである。また、該小粒子蛍光体3aは、多少の自重により、カップ10内に沈降すると推測されるが、小粒子であるため、大粒子蛍光体3により変換された光の通路を遮断することはない。よって発光装置1の外側へ放出される光の取り出し効率に影響を及ぼすことはない。
さらに、本発明の実施の形態4に係る発光装置として、表面実装タイプの発光装置40を図5に示す。図5(a)は平面図、図5(b)は断面図をそれぞれ示している。発光素子101には、紫外光励起の窒化物半導体発光素子を用いることができる。また、発光素子101は、青色励起の窒化物半導体発光素子を用いても良い。ここでは、紫外光励起の発光素子101を例にとって説明する。発光素子101は、発光層として発光ピーク波長が約370nmのInGaN半導体を有する窒化物半導体発光素子を用いる。発光素子101には、p型半導体層とn型半導体層とが形成されており(図示せず)、p型半導体層とn型半導体層には、リード電極102へ連結される導電性ワイヤ104が形成されている。リード電極102の外周を覆うように絶縁封止材103が形成され、短絡を防止している。発光素子101の上方にはパッケージ105の上部にあるコバール製リッド106から延びる透光性の窓部107が設けられている。透光性の窓部107の内面には、蛍光体108を含有するコーティング部材109がほぼ全面に塗布されている。蛍光体3は自重により、コーティング部材109内を沈降し、窓部107の底面領域を均等に被覆できる。これにより発光素子101からの光が偏在なく変換され、発光装置から放出される光の色むらを低減できる。
図6(a)に、本発明の一実施例による半導体発光装置40の斜視図を示す。図6(b)は、図6(a)で示す半導体発光装置1のB−B’線における断面図である。以下、図6(a)及び(b)に基づいて、実施例5の半導体発光装置40の概略を説明する。半導体発光装置40は、リードフレーム4上に、上部に向かって略凹形状に開口している空間を備えるパッケージ12が装着されてなる。さらに、このパッケージ12の空間内であって、露出しているリードフレーム4上に複数の発光素子2が実装されている。つまり、パッケージ12は、発光素子2を包囲する枠体となっている。また、パッケージ12の開口している空間内にはツェナーダイオード等、規定電圧以上の電圧が印加されると通電状態になる保護素子13も載置されている。さらに、発光素子2はボンディングワイヤ5やバンプ等を介して、リードフレーム4と電気的に接続されている。加えて、パッケージ12の開口している空間部は封止樹脂6により充填されている。
実施例1〜14の蛍光体は、一般式がCaxAlySizOaNb:Eu2+(0.5≦x≦3、0.5≦y≦3、0.5≦z≦9、0≦a≦3、0.5≦b≦3)と表され、さらに種々の添加物、及び必要に応じてホウ素が加えられる。以下に該蛍光体の製造方法の一例を説明するが、本製造方法に限定されない。
該蛍光体の一例として、一般式がCa0.990AlSiN3.0:0.01Eu2+で表され、フラックスとして種々の添加元素が加えられた窒化物系蛍光体を実施例1〜14に示す。
また、この組成は、配合比率より推定される代表組成であり、その比率の近傍では、実用に耐える十分な特性を有する。また、各原料の配合比率を変更することにより、目的とする蛍光体の組成を変更することができる。
なお、比較例1及び実施例1〜14における粒径は、F.S.S.S.No.(Fisher Sub Sieve Sizer's No.)における空気透過法で得られる平均粒径を指す。具体的には、気温25℃、湿度70%の環境下において、1cm3分の試料を計り取り、専用の管状容器にパッキングした後一定圧力の乾燥空気を流し、差圧から比表面積を読み取り平均粒径に換算した値である。
本実施例に係る窒化物系蛍光体、酸窒化物系蛍光体は、その組成中にAl又は、これに加えてBを含有できる。これにより、ピーク波長をより長波長にできるので、高価な希土類元素であるユーロピウムの賦活量を少なくしても、より深い赤色に発光できる。さらに組成中にAl又は、これに加えてBを含有する窒化物系蛍光体、酸窒化物系蛍光体は、耐熱性があり、高温における劣化を著しく少なくできる。従って、組成中にAl又は、これに加えてBを含む窒化物系蛍光体、酸窒化物系蛍光体を用いた発光装置において、発光素子に極めて接近して配置されても、極めて寿命を長くできる特徴がある。
2…発光素子
3…大粒子蛍光体
3a…小粒子蛍光体
4…リードフレーム
4a…リードフレーム電極
5…ボンディングワイヤ
6…樹脂
6a…樹脂
8…発光層
9…電極
10…カップ
11…モールド
12…パッケージ
13…保護素子
20…発光装置
21…キャップ
30…発光装置
40…発光装置
100…発光装置
101…発光素子
102…リード電極
103…絶縁封止材
104…導電性ワイヤ
105…パッケージ
106…コバール製リッド
107…透光性窓部(ガラス窓部)
109…コーティング部材
Claims (1)
- ユーロピウムで付活された、近紫外線ないし青色光を吸収して赤色に発光する窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体であって、
以下の一般式で示され、x、y、z、a、bを以下の範囲とし、
Li、Na、K、Rb、Csの群から選ばれる少なくとも一のアルカリ金属元素を含有し、
平均粒径が5μm以上、10μm以下であり、
Li、Na、K、Rb、Csの群から選ばれる少なくとも一のアルカリ金属元素、及び塩素あるいはフッ素が1ppm以上、5%以下含まれており、
前記アルカリ金属元素がフッ化物、塩化物、硫酸塩中に含有されることを特徴とする窒化物系蛍光体又は酸窒化物系蛍光体。
CaxAlySizOaNb:Eu2+
0.5≦x≦3、0.5≦y≦3、0.5≦z≦9、0≦a≦3、0.5≦b≦3
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